Gheorghe Oproescu-Tavi YO4BKM

În unde scurte, mai ales pe benzile inferioare, inălțimea relativă a antenei – măsurată în lungimi de undă – are de multe ori valori destul de mici. Impedanța de radiație – sau de alimentare în cazul antenelor alimentate în punctul de curent maxim – depinde mult de această înălțime relativă și are valori destul de mici, pornind de la zero în cazul unui dipol orizontal așezat pe sol, până la maxim 90 Ω cand acesta se află la o înălțime de cca 0,37 λ. Rezistența de radiație teoretică de 75 Ω, dacă dipolul în semiundă ar fi complet izolat, apare la o înălțime de cca 0,24 λ. Un dipol lung de 39,145 m acordat pe 3700 kHz va avea impedanța de 75 Ω la o înălțime de cca 17 m, cam la nivelul 3-4 al unui bloc cu mai multe etaje și va crește până la 90 Ω la o înălțime de cca 25 m. Dar asta este valabil doar teoretic, în realitate apar caracteristici diferite ale solului de la un amplasament la altul, de la un anotimp la altul, de la o stare meteorologică la alta, vecinătăți de tot felul care vor face în mod sigur ca o antenă care, chiar dacă va avea la modul ideal reactanța zero (presupun că am ajustat-o cu migală cm cu cm), va avea o rezistență de alimentare diferită de cei 50 Ω ai emițătorului sau liniei de alimentare. Deci, va fi necesar un dispozitiv de adaptare plasat de regulă lângă emițător. Și acesta este un caz simplu. Lucrurile se complică în cazul antenelor multiband care, din economie de spațiu și economie de construcții metalice se alimenteaza toate de la aceeași linie de alimentare și sunt amplasate la aceeași înălțime absolută (măsurată în metri), deci vor avea înălțimi relative diferite și, implicit, reactanțe de alimentare diferite. În acest caz, folosind o linie de alimentare de lungime oarecare, dispozitivul de adaptare va proteja emițătorul prin reducerea undei reflectate, dar ansamblul antenă – linie de alimentare va lucra în condiții foarte defavorabile. Iau în discuție două exemple:

1. O antenă pe 3700 kHz, acordată corect pentru a avea o impedanță complexă Z=72+0j Ω (rezistența de alimentare 72 Ω, reactanța 0 Ω), alimentată cu o linie în semiundă calculată exact pentru frecvența de 3700 kHz (cablu coaxial de 50 Ω, coeficient de viteză 0,66, lungime de 26,8 m), va arăta la capătul de jos al liniei aceeși impedanță, Z=72+0j Ω. Dacă același cablu coaxial ar avea o lungime de 10 m, va arăta la capătul de jos o impedanță Z’=37,63-10j Ω, dacă ar avea o lungime de 35 m va arăta o impedanță Z”=41,6-14,5j Ω.

2. O antenă care lucrează pe 3700 kHz dar acordată nu tocmai corect, are o impedanță complexă Z=62+25j Ω. Aceeași linie de alimentare în semiundă calculată numai pentru frecvența de 3700 kHz va arăta la capătul de jos al liniei aceeși impedanță, respectiv Z=62+25j Ω. Dacă același cablu coaxial ar avea o lungime de 10 m, va arăta la capătul de jos o impedanță Z’=47,2-24j Ω, dacă ar avea o lungime de 35 m va arăta o impedanță Z”=58-25,6j Ω.

În toate situațiile de mai sus impedanța de la capătul de jos al liniei nu se potrivește cu cea a emițătorului. Ba, mai apar și componente reactive. Această nepotrivire o va rezolva adaptorul de antenă care, intercalându-se între linie și emițător, funcționează ca un transformator pentru componenta rezistivă (aidoma unui transformator de rețea care alimentează consumatori disipativi cu tensiuni de alimentare diferite de tensiunea rețelei) și ca un compensator reactiv pentru reactanță. Și de aici apare marea deosebire dintre liniile în multiplu de semiundă și liniile oarecare. Dacă linia are o lungime egală cu un multiplu de seminude, adaptorul de antenă va realiza adaptarea rezistenței de alimentare a antenei la rezistența de ieșire din emițător și va compensa reactanța de alimentare a antenei pănă la valoarea zero, adică adaptează antena ca pe o sarcină pur disipativă, „pompând” în ea întreaga energie. O linie de alimentare de lungime oarecare va duce la adaptarea unei sarcini disipative care diferă de cea a antenei, chiar și în cazul unei antene perfect acordate. În exemplul 1 de mai sus, cu antena perfect acordată, componenta rezistivă (disipativă) alimentată de emițător prin intermediul unei linii oarecare și a adaptorului diferă de componenta disipativă a antenei, ceea ce ne duce cu gândul că emițătorul va „pompa” energie pe un consummator disipativ care nu mai este chiar antena în sine. Iar dezavantajul se amplifică în cazul antenelor care nu sunt bine acordate.

După ce am arătat că o linie în semiundă ușurează adaptarea antenei și o face mai bună, se pune întrebarea: pe ce interval de frecvențe poate să-și facă bine rolul o linie multiplu de seminude? În exemplele de mai sus am consideart că linia este dimensionată exact pe lungimea de undă a frecvenței respective. La schimbarea frecvenței, rolul linei de alimentare se va altera, dar interesează cu cât. Din acest motiv am realizat o aplicație care să arate plaja de valori pe care se poate folosi o astfel de linie. Există o formulă care calculează impedanța la capătul unei linii de alimentare când se cunosc impedanța de la celălalt capăt și caracteristicile liniei precum lungime, impedanță caracteristică, coeficient de viteză numit și factor de scurtare. Formula este anevoios să fie folosită manual, de aceea am programat-o pe un calculator. Pentru cine este curios să o știe, ea se prezintă astfel:

Figura 1. Formula de calcul

Formula operează cu numere complexe sub formă de fracție, implică raționalizarea numitorului, separarea părților reale și imaginare pentru a afla cele două componente ale impedanței Z=R+jX.

Am considerat cazul unei antene cu impedanța de alimentare Z=72+0j Ω, llinia de alimentare are o impedanță caracteristică de 50 Ω.

Figura 2. Linie de alimentare în semiundă cu impedanța de 50 Ω

În figura 2 se vede că aceeași impedanță se obține la capătul de jos al liniei multiplu de semiunde, valoarea se găsește pe grafic la nivelul vârfurilor acestuia. Se observă o caracteristică destul de ascuțită, ceea ce nu permite folosirea unei lărgimi prea mari de bandă. Dacă s-ar folosi o linie de 36 Ω caracteristica va fi si mai ascuțită în zona de utilizare a ei, figura 3.

Figura 3. Linie de alimentare în semiundă cu impedanța de 36 Ω

De curiozitate am testat și un cablu de 75 Ω, rezultatele în figura 4. Un rezultat firesc, impedanțele antenei și cablului sunt apropiate, numai că rezistența de radiație a antenei se regăsește pe minimele graficului.

După mai multe încercări am constatat că, dacă impedanța carecteristică a liniei este mai mare decât rezistența de alimentare a antenei, adaptarea corectă se găsește pe minimele graficului, care devin din ce în ce mai late. Tot din curiozitate am încercat o linie bifilară de 280 Ω. Rezultatul a fost surprinzător, se arată în figura 5.

Figura 5. Linie de alimentare în semiundă cu impedanța de 280 Ω

Se vede clar că, cu cât este mai mare impedanța caracteristică a liniei față de rezistența de alimentare a antenei, cu atât plaja în care se realizează o adaptare corectă devine mai mare. De aceea am testat și o linie de 500 Ω, vechea linie cu „scăriță”, figura 6.

Figura 6. Linie de alimentare în semiundă cu impedanța de 500 Ω

În încheierea prezentărilor grafice prezint o diagramă pentru o antenă dezacordată, cu impedanța Z=60-25j și o linie de 500 Ω.

Figura 7. Antena dezacordată, linia de 500 Ω

Se remarcă o lărgire mai mult decât satisfăcătoare a domeniului de lungimi ale liniei care să asigure o bună adaptare a rezistenței de alimentare pe o bandă largă de frecvențe de până la 0,35λ, mai mult decât lărgimea fiecărei benzi. Apare în schimb o puternică influență a lugimii linei asupra componentei reactive, ceea ce ar părea extrem de dezavantajos. Dar, dacă ansamblul linie în semiundă – adaptor permite acoperirea unei benzi largi de frecvențe pentru adaptarea rezistenței de alimentare, componenta reactivă se poate compensa tot cu elemente reactive, ar trebui ca adaptorul să le poată rezolva. Dacă nu, se competează adaptorul cu elemente reactive comutabile sau reglabile. Cel mai avantajos este ca linia să se dimensioneze pentru una din frecvențele cap de bandă, în care caz se va folosi un singur tip de element reactiv, cu valori comutabile sau reglabile, pus în completarea adaptorului, de preferință chiar între linie și adaptor. Și, cum un condensator variabil este cel mai ușor de folosit, linia se va dimensiona astfel ca lungimea în semiunda – sau multiplii de smiunde – să corespundă frecvenței cap superior de bandă pentru a compensa, spre lungimi de undă mai mari, numai componente inductive, pe o lărgime de bandă de cca 0,175λ, destul de suficient. Dacă se dorește o bandă dublă se vor folosi un condensator variabil și o bobină variabilă comutabile.

Evident că sunt și dezavantaje la folosirea liniilor de mare impedanță, neecranate, respectiv sensibilitatea la trecerea pe lângă elemente metalice sau bune conducătoare de electricitate în care pot pierde energie prin curenții induși. Un alt dezavantaj este că aceste linii au coeficientul de viteză unitar, deci vor rezulta mult mai lungi, apropape dublu în comparație cu un cablu coaxial cu dielectric plin, dar apropiate de cele ale unui cablu coaxial cu dielectric poros ori cu goluri mari.

În afară de cele prezentate se mai pot lua în considerare și alte scheme de alimentare, funcție de condiții, cum ar fi:
- Folosirea unei linii de alimentare mai scurtă decât λ/20, care se comportă destul de bine ca o linie în semiundă;
- Legarea antenei direct la etajul final al emițătorului, cum este cazul antenelor LW, cea mai bună antenă pe care am avut-o la un emițător HM cu tuburi, extrem de ușor de acordat cu filtrul și foarte eficace, cu care am putut lucra toate continentele în SSB, având la dipoziție o putere de maxim 80 W;
- O linie de alimentare cu impedanța caracteristică de 50 Ω, cu lungimea necritică, dar care face o adptare perfectă cu emițătorul, iar adaptorul de antenă, de tip remote, să fie amplasat între linie și antenă.

Momentan mai sunt încă la Brăila, dar curând voi pleca la țară unde am echipamentul radio și, în urma celor aflate din aplicația recent făcută, sunt hotărât să înlocuiesc cablul coaxial cu o linie de mare impedanță.

Aplicația pe care am folosit-o la diagramele de mai sus se poate descărca în stare arhivată de la https://www.filehosting.org/file/details/792201/Dimensionare%20linii%20de%20alimentare.rar

Bibliografie
[1] Orfanidis S.J. Electromagnetic Waves & Antennas, www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa 31 August 2010.
[2] http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=1117
[3] http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=772
[4] *** The ARRL Handbook for Radio Communications. 86th Edition, editor K1RO, Newington, CT 06111 USA, 2009.

Gheorghe Oproescu-Tavi YO4BKM

Articol aparut la 8-4-2019

3651